NREL menjelajahi pendekatan manufaktur baru untuk bilah turbin angin generasi berikutnya

Sebuah tim peneliti Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (NREL, Golden, Colo., AS), yang dipimpin oleh insinyur teknologi angin senior NREL Derek Berry, terus memajukan teknik baru mereka untuk memproduksi bilah turbin angin canggih dengan melanjutkan kombinasi termoplastik yang dapat didaur ulang dan manufaktur aditif (AM). Kemajuan ini dimungkinkan dengan pendanaan dari Kantor Manufaktur Lanjutan Departemen Energi AS — penghargaan yang dirancang untuk merangsang inovasi teknologi, meningkatkan produktivitas energi manufaktur AS, dan memungkinkan pembuatan produk-produk mutakhir.

Saat ini, sebagian besar bilah turbin angin skala utilitas memiliki desain cangkang kerang yang sama:Dua kulit bilah fiberglass diikat bersama dengan perekat dan menggunakan satu atau beberapa komponen penguat komposit yang disebut jaring geser, sebuah proses yang dioptimalkan untuk efisiensi selama 25 tahun terakhir. Namun, untuk membuat bilah turbin angin lebih ringan, lebih lama, lebih murah, dan lebih efisien dalam menangkap energi angin — peningkatan penting untuk tujuan mengurangi emisi gas rumah kaca sebagian dengan meningkatkan produksi energi angin — peneliti harus sepenuhnya memikirkan kembali clamshell konvensional, sesuatu yang fokus utama tim NREL.

Untuk memulai, tim NREL berfokus pada material matriks resin. Desain saat ini mengandalkan sistem resin termoset seperti epoksi, poliester, dan vinil ester, polimer yang, setelah diawetkan, saling terkait seperti semak berduri.

“Begitu Anda menghasilkan pisau dengan sistem resin termoset, Anda tidak dapat membalikkan prosesnya,” kata Berry. “Itu [juga] membuat bilahnya sulit didaur ulang.”

Bekerja dengan Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tenn., US) di Fasilitas Pendidikan dan Teknologi Manufaktur Komposit (CoMET) NREL, tim multi-lembaga mengembangkan sistem yang menggunakan termoplastik, yang, tidak seperti bahan termoset, dapat dipanaskan untuk memisahkan polimer asli, memungkinkan daur ulang akhir masa pakai (EOL).

Bagian bilah termoplastik juga dapat disambung menggunakan proses pengelasan termal yang dapat menghilangkan kebutuhan akan perekat — seringkali bahan yang berat dan mahal — semakin meningkatkan kemampuan daur ulang bilah.

“Dengan dua komponen bilah termoplastik, Anda memiliki kemampuan untuk menyatukannya dan, melalui penerapan panas dan tekanan, menggabungkannya,” kata Berry. “Anda tidak dapat melakukannya dengan bahan termoset.”

Ke depan, NREL, bersama dengan mitra proyek TPI Composites (Scottsdale, Arizona, AS), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, AS), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Ill., AS), Vanderbilt University (Knoxville) dan IACMI , akan mengembangkan struktur inti blade yang inovatif untuk memungkinkan produksi blade yang sangat panjang dan berperforma tinggi yang hemat biaya — panjangnya lebih dari 100 meter — dengan bobot yang relatif rendah.

Dengan menggunakan pencetakan 3D, tim peneliti mengatakan dapat menghasilkan jenis desain yang diperlukan untuk memodernisasi bilah turbin dengan inti struktural berbentuk jaring yang sangat direkayasa dengan berbagai kepadatan dan geometri di antara kulit struktural bilah turbin. Kulit pisau akan diresapi menggunakan sistem resin termoplastik.

Jika berhasil, tim akan mengurangi berat dan biaya bilah turbin sebesar 10% (atau lebih) dan waktu siklus produksi setidaknya 15%.

Selain penghargaan AMO FOA utama untuk struktur bilah turbin angin termoplastik AM, dua proyek hibah juga akan mengeksplorasi teknik manufaktur turbin angin canggih. Colorado State University (Fort Collins) memimpin proyek yang juga menggunakan pencetakan 3D untuk membuat komposit yang diperkuat serat untuk struktur bilah angin internal yang baru, dengan Owens Corning (Toledo, Ohio, AS), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, Pa., US), dan Vestas Blades America (Brighton, Colo., US) sebagai mitra. Proyek kedua, dipimpin oleh GE Research (Niskayuna, N.Y., A.S.), dijuluki AMERICA:Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Bermitra dengan GE Research adalah Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tenn., AS), NREL, LM Wind Power (Kolding, Denmark) dan GE Renewable Energy (Paris, Prancis).